Бетон - виды, технология изготовления, прочность

Бетоны на основе портландцемента с модифицирующими добавками являются наиболее ценным строительным материалом с точки зрения его прочности, стойкости к воздействиям окружающей среды, легкости придания ему необходимых конструкционных форм. Исходные материалы для производства бетонов не представляют большой ценности и широко распространены на Земле.

Существенным ограничением распространения высококачественных бетонов являются относительно высокая стоимость портландцемента и транспортные расходы, так как высококачественные бетоны, как правило, изготавливаются на крупных производствах, где легче обеспечить технологические условия и контроль.

При производстве бетона большая часть энергии заключена в цементе. Транспортировка и затраты энергии на месте малы. Кроме обсуждавшихся ранее отрицательных воздействий на окружающую среду при производстве цемента необходимо также учесть значительный ущерб окружающей среде в нарушении естественных ландшафтов при добыче наполнителей для бетонных смесей (щебень, песок), затраты энергии на измельчение пород и транспортировку. Все эти процессы сопровождаются пылением и быстрым износом дорог в результате использования тяжелой техники. Учитывая то, что бетоны на основе портландцемента относятся к группе материалов высокой энергоемкости, экономное расходование их, совершенствование технологий и замена бетона на альтернативные материалы, где это, возможно, являются необходимыми условиями перехода к устойчивому развитию.

Благодаря длительной истории использования бетонов в строительстве самых разнообразных объектов и его широкому распространению во всем мире, наработано очень большое количество технологий изготовления бетонных смесей и изделий: от тяжелых бетонов для подводных работ до легких вспененных бетонов-утеплителей, от тяжелых монолитных блоков для фундаментов до легких тонкостенных изделий для кладки и отделки.

В качестве наполнителей в бетонах может быть использован широкий спектр материалов: от высококачественного кварцевого песка и гальки до отходов производства (зол уноса, шлаков, древесной стружки, опилок и др.). Снижение качества наполнителей может быть компенсировано небольшими добавками материалов, которые позволяют получать бетон с заданными свойствами. Например, снижение влагостойкости при использовании древесных отходов может быть компенсировано добавкой полимеров или их использованием как основного вяжущего (полимербетоны).

При строительстве в условиях Юга Сибири, где рекомендуется строительство ленточных заглубленных фундаментов, и в условиях вечной мерзлоты (свайные основания) высококачественные, влагостойкие и морозостойкие бетоны остаются одним из основных строительных долговечных материалов. Снизить высокую стоимость бетона можно устройством надежной гидроизоляции и внешнего утепления заглубленных конструкций, что дает возможность снизить требования на влагостойкость и морозостойкость бетона и, как следствие, снизить затраты энергии и стоимость его производства. Такой подход требует дополнительных затрат на создание сложной, многослойной конструкции, но в большинстве случаев оправдан, так как дает возможность сберечь энергию на обогрев дома, улучшить климат в подземных сооружениях и использовать подземные сооружения в качестве обитаемых помещений.

С повышением требований на теплоизолированность жилых домов до R=3 и выше с бетонами и каменными кладками стен на цементных растворах начали успешно конкурировать композитные конструкции с использованием легких утеплителей: деревянные каркасные конструкции, легкие, утепленные вспененными полимерами панельные конструкции и др. Как правило, эти конструкции требуют много фабрично изготовленных деталей. Там, где они мало доступны или дороги и в то же время строительство может быть обеспечено местными дешевыми наполнителями бетонных смесей, строительство стен из монолитного бетона или бетонного камня может стать более экономически выгодно.
При этом, естественно, необходимые теплотехнические характеристики дома достигаются с помощью легких утеплителей, а внутренняя бетонная стена обеспечивает только необходимую несущую прочность корпуса дома. Для снижения толщины несущих стен бетон может быть армирован стальной сеткой, стальной арматурой, либо другими волокнистыми материалами. Технологии армирования бетонов достаточно хорошо изучены. Толщина прочной армированной бетонной стенки может не превышать 200 мм. Она обладает высокой теплоемкостью в отличие от легких каркасных конструкций, обеспечивает высокую пожарную безопасность и долговечность конструкции. Защищенность такой стены от внешних воздействий слоем утеплителя и отделки снижает требования к влагостойкости и морозостойкости бетона и позволяет использовать в качестве связующих и наполнителей более дешевые материалы, которые в большинстве случаев могут быть найдены недалеко от места строительства.

В Европе и в России распространены различные модификации технологии изготовления высокопористых бетонов (газобетонов, ячеистых, вспененных). Технологии их очень различны, но цель одна: получить более легкий, дешевый и теплый материал, сохранив основные преимущества бетонных изделий. Наибольшее распространение получила технология с добавлением алюминиевой пудры в бетонную смесь вяжущих (цемента и извести) и мелкодисперсных заполнителей, которыми могут быть молотый кварцевый песок или золы уноса, а также другие наполнители. Технология с использованием в качестве вяжущего извести требует автоклавной обработки паром под давлением 8-12 атмосфер с температурой 160 - 180°С в течение 8-12 часов. В результате получают хорошо обрабатывающийся материал с плотностью 800 - 1200 кг /м3 и прочностью от 20 до 300 кг/см2. Недостатком его является пониженная влагостойкость и необходимость внешней облицовки.

Ячеистый бетон с использованием портландцемента в качестве вяжущего может производится без автоклавной обработки с естественным набором прочности либо с ускорением процесса подогревом электрическим током. Эта технология имеет большие возможности для модификаций свойств ячеистых бетонов регулированием различных технологических добавок. В частности, гидрофобные добавки позволяют получать влагостойкие блоки из ячеистого бетона, не требующие дополнительной внешней защиты в стенах. Кроме того, такая технология позволяет производить блоки из ячеистого бетона с помощью небольших перемещаемых заводов с большой долей ручного труда, а следовательно, с экономией энергии и снижением стоимости при небольших объемах производства. Такие мини-заводы выпускает частная компания «Силикон» в Новосибирске.

Существенное улучшение прочностных характеристик ячеистых бетонов может быть получено добавлением синтетических волокон. При соблюдении отношения модулей упругости армирующих волокон и матрицы (ячеистый бетон) Ев/Ем>1 и технологического регламента прочность на сжатие повышается на 30 - 60%, прочность на растяжение при изгибе на 300%, ударная вязкость на 150 - 200%, морозостойкость в 3 раза, увеличивается долговечность.

Для повышения характеристик ячеистых и других типов бетонов также могут использоваться и минеральные волокна, модуль упругости которых больше модуля матрицы и которые химически не взаимодействуют с матрицей. Стеклянные волокна необходимо применять с осторожностью, так как они разрушаются в щелочной среде.

Возможность повышения прочностных характеристик всех типов бетонов относительно недорогими способами играет исключительную роль в их использовании в современном строительстве, где необходимо конкурировать с другими материалами, обладающими высокими конструкционными качествами при низкой энергоемкости и низкой теплопроводности (древесина).